книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Ча с т ь V

ДВИЖЕНИЕ МАГНЕТОНОВ В СРЕДЕ С НИЗКОЙ

ЭНЕРГИЕЙ

Условия движения электронных магнетонов в твердых струк­ турах принципиально различаются в зависимости от того, про­ исходит ли обмен энергией между движущимися магнетонами и этими структурами. При температурах ниже определенного значения, вблизи абсолютного нуля, наблюдается внезапный пе­ реход из состояния, когда магнетоны взаимодействуют со струк­ турой, в состояние, когда такое взаимодействие отсутствует. Ниже обсуждены некоторые магнитные явления в условиях пере­ охлаждения — в окрестности этой критической температуры и при более низких температурах.

Когда кусок твердого вещества обладает довольно малым запасом энергии, он проявляет минимальную тепловую актив­ ность. Ионы, показанные схематически на рис. 17.1, не совер­ шают слишком сильных колебаний относительно своих равно­ весных позиций в узлах кристаллической решетки, так что сво­ бодные электроны могут «проскользнуть» через междоузлия кристалла, не вступая в значительное взаимодействие с ионами. Если отсутствует приложенное извне магнитное поле, то при тем­ пературах ниже определенного критического значения взаимное отталкивание между орбитальными и свободными электронами приводит к тому, что последние движутся по «каналам», фак­ тически исключающим какое-либо взаимодействие их с колеблю­ щимися ионами в узлах решетки.

При этих условиях электроны могут свободно двигаться в течение всего времени, пока они остаются в указанных каналах. Однако электростатические силы, формирующие эти каналы, весьма малы, так что нетрудно вызвать столкновения между свободными электронами и ионами, продолжающими слабо колебаться. Достаточно сильное внешнее магнитное поле может смещать свободные электроны, так что они выходят из каналов и могут снова взаимодействовать с ионами. Подобным же обра­ зом повышение температуры может увеличить амплитуду коле­ баний ионов до такой степени, что они начинают преграждать траектории свободных электронов.

Если на самом деле имеет место взаимодействие между сво­ бодными электронами и ионами в узлах кристаллической ре­ шетки, то наблюдаются магнитные явления, которые достаточно

подробно описаны в предыдущих главах. Однако в тех случаях, когда взаимодействие отсутствует и свободные электроны оста­ ются в пределах своих каналов, могут происходить совершенно иные магнитные явления. Ниже обсуждены магнитные явления, которые можно ожидать при условии, что магнетоны способны двигаться в кристаллических структурах без взаимного обмена энергией с этими структурами.

24. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕДЫ

Кристаллические вещества называют сверхпроводящими, когда при пропускании через них электрического тока не проис­ ходит обмен энергией между носителями тока и структурой кристаллической решетки. Явление сверхпроводимости наблю­

Допуская, что все элементы кристаллической решетки непо­ движны, можно в качестве наглядной иллюстрации соотноше­ ний между электронами-носителями и элементами решетки в условиях сверхпроводимости использовать рис. 17.1. Если элек­ троны проводимости испытывают воздействие со стороны неупо­ рядоченных элементов кристаллической решетки, подвержены влиянию значительной тепловой активности или же отклоняются силами Лоренца, то возобновляется взаимодействие электронов с решеткой и вещество утрачивает сверхпроводимость. Свойство сверхпроводимости определяется способностью электронов прово­ димости двигаться через регулярные структуры кристалличе­ ской решетки без взаимодействия с этими структурами. Воз­ можность состояния сверхпроводимости обусловлена наличием малых сил, удерживающих электроны проводимости на прямо­ линейных траекториях, по которым они движутся, не встречая на пути элементы решетки.

Сверхпроводящее вещество характеризуется критической температурой, ниже которой оно обладает свойством сверх­

ном состоянии, то электроны проводимости могут «проскольз­ нуть» в промежутках между элементами решетки, «не замечая» этих элементов. При критической температуре элементы решетки настолько активны, что могут смещаться, преграждая траекто­ рии электронов, причем происходит взаимодействие между эле­ ментами решетки и электронами-носителями. Таким образом, существует значение температуры, при котором тепловая энергия решетки преодолевает малые силы, удерживающие электроны-носители на определенном удалении от элементов решетки. Ниже этого значения температуры преобладают силы, предотвращающие взаимодействие, выше этого значения преоб­ ладают силы тепловой активности.

У всех веществ критическая температура очень близка к аб­ солютному нулю. Максимальная критическая температура до­ стигает приблизительно 20 К, однако у большинства веществ она значительно ниже.

Сверхпроводимость может поддерживаться в присутствии слабых магнитных полей, однако сильные магнитные поля ее разрушают. Таким образом, существует некоторая критиче­ ская напряженность магнитного поля, такая, что при мень­ ших значениях напряженности возможно состояние сверх­ проводимости, а при больших значениях это состояние невоз­ можно. В последнем случае малые силы, стремящиеся удер­ жать электроны на прямолинейных траекториях в узких каналах, преодолеваются силами Лоренца, искривляющими траекторию электронного пучка, что приводит к. столкновениям электронов проводимости с элементами решетки. Критическая напряжен­ ность магнитного поля, превышение которой влечет за собой столкновение частиц под влиянием сил Лоренца, зависит от температуры. Эта зависимость выражается законом Туина.

Кроме того, сверхпроводимость может поддерживаться при слабых электрических токах, однако сильные электрические токи ее разрушают. Следовательно, должен существовать не­ который критический ток, такой, что при меньших значениях тока возможно состояние сверхпроводимости, а при боль­ ших значениях тока это состояние невозможно. На самом деле критический характер этого тока обусловлен связанным с ним магнитным полем, и в нем косвенно проявляется влияние крити­ ческой напряженности магнитного поля.

Поскольку напряженность магнитного поля, порождаемого электрическим током, зависит от кривизн^ пути тока, магнитное поле, воздействующее на каждый участок проводника, изогну­ того в форме окружности, будет сильнее, чем в случае прямоли­ нейного проводника. Эффект Силсби заключается в том, что критический ток для сверхпроводящего витка проволоки изменя­ ется пропорционально его диаметру.

Сверхпроводимость — это явление, зависящее от геометриче­ ских параметров кристаллической решетки, а также от регуляр­ ности распределения этих периодических параметров. Поэтому как критическая температура, так и критическая напряженность магнитного поля зависят от механических деформаций мате­ риала.

Поскольку тепло переносится в сверхпроводниках теми же самыми электронами, что и электрический ток, влияние среды на электроны-носители сказывается также на всех процессах пе­ реноса тепла.

Хотя сверхпроводящие вещества не обладают сопротивле­ нием по отношению к постоянному току, для переменного тока имеют место потери, возрастающие при повышении частоты ко­

лебаний тока. В ближней инфракрасной области частот эти по­ тери более или менее эквивалентны потерям в обычных провод­ никах.

Если вещество находится в состоянии сверхпроводимости, то возникновение каких-либо термоэлектрических эффектов в нем исключено.

24.1. ЭФФЕКТ МЕЙССНЕРА

Сверхпроводящие вещества обладают идеальными диамагнит­ ными свойствами. Поскольку в сверхпроводнике электроны про­ водимости не испытывают ограничений, связанных с поглоще­ нием энергии, они при своем свободном движении порождают поле Ленца, в точности равное, но противоположное по направ­ лению магнитному полю, приложенному извне. Вследствие того что всегда поддерживается точное равенство напряженности поля Ленца и приложенного поля, через сверхпроводящее ве­ щество, помещенное в магнитное поле, не может пройти маг­ нитный поток, за исключением случая, когда вещество нагрето до температуры В ы ш е критического значения. Но даже в этом случае магнитный поток «выталкивается» из вещества, если его снова охладить до температуры ниже критического значения. Это выталкивание магнитного потока из внутренней области сверхпроводника называется эффектом Мейсснера. Структу­ ра магнитного поля вблизи устройства Мейсснера иллюстри­ руется на рис. 24.1.

Если проволочная катушка намотана вокруг цилиндра из сверхпроводящего вещества, то через катушку не может пройти магнитный поток, так как этот поток полностью компенсируется под влиянием диамагнетизма Мейсснера. Если же поднять тем­ пературу вещества выше критического значения, то через ве­ щество и, следовательно, через катушку обычным образом пройдет магнитный поток. Поэтому при каждом переходе через критическую температуру как при нагревании, так и при охлаж­ дении вещества в катушке генерируется импульс напряжения.

Магнитное поле

Магнитный.

Рис. 24.1. Устройство Мейсснера. По­ скольку поле Ленца, обусловленное сверхпроводящими электронами, в точ­ ности противоположно приложенному извне магнитному полю, внешнее маг­ нитное поле не может проникнуть в сверхпроводящее вещество

Этот импульс обусловлен внезапным изменением магнитного потока в катушке при критической температуре.

В схеме, показанной на рис. 24.1, установка температуры вещества выше или ниже критического значения равнозначна включению или выключению магнитного потока, проходящего через катушку. Если этот механизм переключения (нагревание и охлаждение) срабатывает достаточно быстро, то в катушке наводится переменное напряжение с амплитудой, пропорциональ­ ной составляющей внешнего магнитного поля в направлении оси катушки. Поскольку при критической напряженности магнитного поля сверхпроводимость исчезает, описанный метод измерения магнитного поля пригоден только для слабых магнитных полей. При помощи точно такого же устройства, измеряя индуктив­ ность катушки, можно определять состояние вещества — явля­ ется оно сверхпроводящим или нет.

24.2. ТИПЫ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Известны два основных рода сверхпроводящих материалов. У материалов первого рода степень диамагнитности изменяется пропорционально напряженности приложенного поля для слабых магнитных полей и резко падает до некоторого постоянного низкого уровня для магнитных полей с напряженностью, превы­ шающей критическое значение (Нс на рьс. 24.2). Иными слова­ ми, степень диамагнитности связана с намагничивающей силой линейным соотношением при напряженностях поля меньше кри­ тического значения, а при напряженностях больше критиче­

Материалы второго рода характеризуются двумя критичес­ кими значениями напряженности магнитного поля. При напря­ женностях внешнего поля, меньших нижнего критического зна­ чения, эти материалы ведут себя точно так же, как материалы первогорода. Однако при напряженностях магнитного поля, находящихся в области между двумя критическими значениями, материал второго рода ведет себя таким образом, как если бы

Рис. 24.2. Типы сверхпроводимости. Диамагнитные свойства сверхпроводя­ щего материала могут быть обусловле­ ны различными механизмами. В част­ ности, если преобладает эффект Мейс­ снера, то имеет место определенная структура потока электронов, однако существенную роль может играть также суммарное влияние многочис­

ленных малых диамагнитных очагов: 1 — материал первого рода; 2 — материал второго рода

одна его часть обладала сверхпроводимостью, а другая нет. В этом случае при увеличении напряженности поля диамагне­ тизм постепенно утрачивается, причем это происходит в виде последовательности дискретных скачков. При напряженностях поля, больших верхнего критического значения (# е2 на рис. 24.2), материалы второго рода приобретают диамагнетизм Паули, как и материалы первого рода.

Материал второго рода, на который воздействует внешнее магнитное поле с напряженностью в области между двумя кри­ тическими значениями, находится в так называемом очаговом состоянии, когда в нем имеются диамагнитные очаги, рас­ пределенные внутри основной недиамагнитной среды. Число и размеры этих очагов зависят от напряженности приложенного магнитного поля. При верхней критической напряженности поля все диамагнитные очаги разрушаются.

Все критические значения напряженности магнитного поля зависят от температуры. Верхнее критическое значение напря­ женности поля для некоторых материалов второго рода наблю­ дается при значительно более высокой температуре, чем макси­ мальная температура, при которой еще возможна сверхпро­ водимость любого материала первого рода.

24.3. СПИНОВОЕ СТЕКЛО

Термин спиновое стекло используется здесь для описа­ ния такого состояния вещества, когда оси магнетонов «замо­ раживаются» в виде структуры с неупорядоченными ориента­ циями частиц при температуре ниже некоторого критического значения. Эта критическая температура близка к абсолютному нулю. Термин «спиновое стекло» выбран по аналогии с физиче­ ским стеклом, под которым понимается почти твердое вещество с молекулами, замороженными в виде структуры с неупорядочен­ ным расположением частиц.

Замороженная структура с неупорядоченными ориентациями частиц, в спиновом стекле обладает свойствами, принципиально отличающимися от типичного ферромагнетизма, антиферромагне­ тизма и т. д., для которых характерно упорядочение направ­ лений осей магнетонов под влиянием обменных сил, и от пара­ магнетизма, для которого неупорядоченность имеет динамиче­ ский характер. Спиновое стекло можно представить себе как замороженную парамагнитную структуру. Температура Кондо соответствует границе раздела, ниже которой образуется спи­ новое стекло, а выше появляется парамагнетизм.

Образование спинового стекла наблюдается у некоторых сплавов, когда магнитное вещество в качестве примеси раство­ рено в основном немагнитном веществе. В этих сплавах взаимо­ действия между магнетонами фактически имеют место, однако

они слишком слабы, так как магнетоны отделены один от дру­ гого веществом-растворителем. Здесь свойства спинового стекла проявляются как совместное поведение магнетонов примеси.

Миктомагнетнзм — это еще одно явление, происходящее в спиновом стекле некоторых типов, когда скопления магнето­ нов замораживаются в виде упорядоченных ферромагнитных или ферримагнитных структур. Эти скопления различаются по своим размерам и по направлению магнетонов, они распреде­ лены более или менее случайным образом по объему вещества, заполненному в основном магнетонами спинового стекла со слу­ чайно распределенными ориентациями.

24.4. ЭФФЕКТ КОНДО

Эффект Кондо состоит в том, что удельное сопротивление

нитном основном металле рассеянные магнетоны взаимодейст­ вуют между собой через посредство электронов проводимо­ сти, которые обеспечивают как перенос электрического заряда, так и упорядочение магнетонов по ориентациям. В то же время магнетоны служат источником магнитного поля и способствуют рассеянию электронов проводимости.

ние (рис. 24.3). При более высоких температурах тепловая ак­ тивность нарушает упорядоченность ориентаций магнетонов, а при более низких температурах электроны проводимости те­ ряют свою способность передавать обменные силы. Температура Кондо зависит от концентрации ионных магнетонов и приблизи­ тельно пропорциональна этой концентрации в степени 1/5.

Рис. 24.3. Эффект Кондо. Удель­ ное сопротивление некоторых ве­ ществ достигает минимума при температуре, близкой к абсолют­

утраты обменных сил; 2 — увеличе­ ние рассеяния под влиянием тепло­ вых сил

Если проволока, изогнутая в форме замкнутого контура, по­ мещена между полюсами магнита, то часть магнитного потока, генерируемого магнитом, будет проходить через контур. Если за­ тем охладить проволоку до температуры сверхпроводимости и, сохраняя ее сверхпроводящее состояние, удалить контур от маг­ нита, то через него будет проходить тот же самый магнитный поток, который проходил первоначально вблизи магнита. Иначе говоря, магнитный поток «захватывается» контуром, находящим­ ся в сверхпроводящем состоянии, а механизм такого захвата магнитного потока называется эффектом Оннеса.

Захваченный магнитный поток поддерживается первоначаль­ но наведенным электрическим током, который продолжает течь в сверхпроводящем контуре. Поскольку этот ток можно заста­ вить протекать в любом из двух направлений (по часовой стрел­ ке или против часовой стрелки) в зависимости от направления исходного магнитного поля, эффект Оннеса используют при кон­ струировании запоминающих устройств вычислительных машин, причем одно направление тока выражает цифру 0, а другое направление — цифру 1.

24.6. КРИОТРОН

Криотрон представляет собой устройство, состоящее из двух сверхпроводящих катушек; ток в одной из катушек контро­ лирует наличие или отсутствие сверхпроводимости в другой катушке. Поскольку такое устройство имеет два устойчивых со­ стояния, его используют в конструкциях запоминающих устройств

Тантал, погруженный в жидкий гелий, приобретает свойство сверхпроводимости. Катушка из танталовой проволоки с безындуктивной намоткой может использоваться как переключающее устройство, которое представляет собой элемент с нулевым импедансом, когда находится в сверхпроводящем состоянии, и элемент с очень большим сопротивлением, когда находится в обычном состоянии. Переключение между этими двумя состояни­ ями осуществляется путем приложения или устранения внешнего магнитного поля с критической напряженностью. Такая танталовая катушка может быть найотана вокруг ферритового сердечни­ ка вместе со второй катушкой, несущей ток, который способен создавать магнитное поле с критической напряженностью. Уст­ ройство работает при температуре жидкого гелия, управление им осуществляется путем включения или выключения тока возбуждения.

Если танталовая катушка включена как шунтирующий эле­ мент на выходе термопары, то напряжение термопары будет за­ корочено, пока тантал находится в сверхпроводящем состоянии. Измерения при помощи термопары в низкотемпературных усло­ виях затруднены из-за относительно больших шумовых напря­ жений, генерируемых в соединительных проводах. Вольтметр указывает сумму напряжения термопары и напряжения шума, но в тот период, когда термопара зашунтирована, будет изме­ ряться только напряжение шума. Его можно затем вычесть из суммарного измеренного напряжения, чтобы в результате полу­ чить точное значение напряжения термопары.

24.8.ПЕРИОДИЧНОСТЬ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВА

Унекоторых веществ диамагнитная восприимчивость электро­ нов проводимости при очень низких температурах характеризует­ ся периодическими изменениями. Если составляющая приложен­ ного внешнего магнитного поля, перпендикулярная главной оси кристалла, возрастает, то магнитный момент периодически увеличивается и уменьшается, как показано на рис. 24.4. Это

явление называется эффектом де Гааза— Ван Альфена. С ним связано аналогичное изменение удельной электрической проводи­ мости, получившее название эффекта Шубникова — де Гааза.

25. КВАНТОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Эффект Мейсснера связан с тем, что диамагнетизм, обуслов­ ленный сверхпроводимостью, создает внутри тела магнитное поле, равное по абсолютной величине напряженности, но противоположное по направлению приложенному извне полю.